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교통체증 속에 숨어있는 과학

  • 2015.10.05.
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20151005_한수원_교통체증_01

 

휴가철이나 명절이 되면 어김없이 고속도로가 꽉꽉 막히게 됩니다.

많은 차량이 동시에 몰리다 보니 교통체증이 생기는 것은 당연한 일이라고 생각하기 마련인데요.

그런데 가끔은 원인도 모를 교통체증을 겪기도 합니다. 신호도 없는 고속도로에 이유도 모를 교통체증은 왜 생기는 걸까요?

오늘은 교통체증 속에 숨어 있는 과학에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

20151005_한수원_교통체증_02

 

◆ 이유 없이 막힌다면 ‘유령체증’

특별한 원인도 없이 교통체증이 일어나는 현상을 ‘유령체증’이라고 합니다. 유령체증이 생기는 원인은 바로 운전자들의 ‘반응지체’ 때문인데요. 가령 고속도로에서 맨 앞을 달리던 트럭이 있다고 생각해보세요.

달리던 트럭이 갑자기차선을 바꾸면, 트럭 뒤에 있는 차는 브레이크를 밟아 속도를 줄이게 되고, 그러면 그 차 뒤에 있던 차 역시 영향을 받아 속도를 줄이게 되고, 뒤에 있는 차는 연속으로 앞에서 무슨 일이 일어났는지 모른 채 교통체증을 겪게 되는 현상입니다.

2009년 미국의 매사추세츠공대의 수학자들로 이뤄진 연구팀은 교통체증이 ‘폭발 파동’을 나타내는 식과 매우 비슷하다는 사실을 밝혀내게 되었습니다.

폭발 파동이란, 말 그대로 어떤 물체가 폭발할 때 생기는 파동현상을 뜻하는데요. 폭발할 때 입자가 연쇄적으로 퍼지는 현상이, 차량의 움직임이 연쇄적으로 다른 차량에 영향을 주는 교통체증과 비슷했기 때문입니다. 교통체증과 전혀 다른 물리학의 파동 방정식이 교통체 증을 설명하는 데 중요한 열쇠가 된 것이죠.

이외에도 수학자들은 도로 위에서 달리는 자동차가 물과 같은 유체의 흐름과 비슷하다는 사실에도 주목하고 있습니다.

 

◆ 내 차선이 가장 막히는 이유

막히는 길을 운전하다 보면 옆 차선은 잘 가는데, 유독 내가 가는 차선은 막힌다는 생각이 들게 마련입니다.
이런한 현상은 왜 일어날까요?

1999년 캐나다 토론토대의 레델메이어와 스탠포드대의 팁시라니 교수는 인지적 차이에 의해 이런 현상이 생긴다고 주장했습니다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션으로 두 개의 차선을 만들어 차량의 위치와 행동, 속도의 변화를 살펴보았습니다.

그 결과, 일반적으로 다른 차에 의해 추월 당할 때의 시간이 내가 다른 차를 추월할 때의 시간보다 오래 걸리기 때문에 내 차선이 더 막힌다는 착각을 하게 된다고 결론지었습니다. 미국 예일대의 보스트롬 교수는 실제로 일정한 구간의 도로에서 천천히 가는 차선의 차량이 빠른 차선의 차량보다 상대적으로 많기 때문이라고 설명했는데요.

도로에 있는 전체 차량 중 무작위로 자동차를 선택하면, 막히는 차선에 있는 차가 선택될 가능성이 높게되고, 이 때문에 조사를 하면 자신의 차선이 더 막힌다고 대답할 확률이 높다는 것이었습니다.

 

◆ 브래스의 역설

교통체증이 심각한 도로가 있다고 가정해 본다면, 이 도로의 교통체증을 완화하려면 어떻게 해야 될까요?

가장 쉽게 생각나는 방법은 정체구간이 심각한 도로를 대신할 또 다른 도로를 하나 더 만드는 것입니다.
도로가 하나 더 생기면 정체구간에 있던 차량이 분산될 수 있기 때문입니다.

그런데 새로운 도로를 추가했을 때 교통 흐름이 개선되기는커녕 오히려 교통체증이 심해지는 경우도 있습니다.
바로 ‘브래스의 역설’나타나는 경우입니다. 독일의 수학자 디트리히 브래스가 1968년 발표한 ‘교통계획의 역설’이라는 논문에서 이 내용을 다뤄 그의 이름을 따서 만든 법칙입니다.

브래스의 역설을 실험한 결과 출발점에서 도착점까지 가는 여러 가지 길이 있음에도 불구하고, 모든 운전자가 가장 유리한 몇몇의 지름길을 선택하게 되고 이러한 선택은 결국 교통체증이라는 결과를 얻게 되었습니다.

더욱 재미있는 현상은 도로의 일부를 막아 보는 시뮬레이션 실험을 했을 때 나타났습니다. 한 도로를 없앴더니, 그 도로가 있을 때보다 교통흐름이 빨라지게 된 것입니다. 즉 교통체증을 더 유발하는 불필요한 도로가 있다는 뜻입니다.

 

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◆ 계속 녹색신호만 걸린다면?

녹색신호만 걸릴 방법은 없을까? 교차로 앞에서 녹색 신호등이 켜지기만을 기다리다가 신호등이 바뀌면, 다음 교차로를 향해 달려갈 것입니다. 그런데 단지 교차로 앞에 설 때마다 적색 신호등에서 녹색 신호등으로 바뀌는 일이 일어났다면, 운이 좋은 걸까요?

그 이유는 운이 아니라 수학으로 설명할 수 있는데요, 운전자가 교차로 앞에서 신호를 기다리지 않도록 도로에 적합한 차량의 속도와 교차로 사이의 거리, 신호주기, 제한속도 등을 수학적으로 정확하게 계산해 만들었기 때문입니다.

이렇게 연속적으로 녹색 신호등이 켜지도록 만든 신호체계를 ‘연동신호체계’라고 합니다. 신호를 기다리는 시간을 최대한 줄여, 도로에서 차량이 원활하게 움직이도록 하기 위해서 입니다.

 

현대사회에서는 하루에도 수천만대의 자동차가 도시를 움직이고 있습니다. 차량은 많고 도로는 한정적이기 때문에 교통체증은 일어날 수밖에 없습니다.

하지만 교통의 흐름을 원활하게 하기 위한 노력들이 꾸준하게 이어지고 있습니다. 차 안에서 유난히 내 앞길만 막힌다고 생각하지 마시고 마음의 여유를 갖고 운전하시다 보면 생각보다 금방 도착한다고 느끼실 수 있을 것입니다.

다음에도 재미있는 주제로 찾아오도록 하겠습니다.

 

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